CN105606196B

CN105606196B - 一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统

Info

Publication number: CN105606196B
Application number: CN201610049783.1A
Authority: CN
Inventors: 邵理阳; 何海军; 张志勇; 闫连山; 潘炜; 罗斌
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2019-01-29
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: CN105606196A

Abstract

本发明公开了一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统。将相位敏感光时域反射系统与马赫曾德尔干涉仪结构结合，利用相位敏感的光时域反射技术进行定位，用马赫曾德尔干涉仪实现高频振动测量，并采用频谱映射的方法将振动位置和振动频率对应起来形成基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统。实现更长距离的传感；在简单时序控制和解调方法的基础上解决了系统定位信噪比受频率测量灵敏度影响的问题；去除了系统在测量频带上存在的频率盲区；实现了高频多点振动的定位和频率测量。本装置工作稳定，在多次测量中都能准确的测量出振动的位置和频率。在低造价的情况下实现了多点高频振动的准确定位和频率测量。

Description

一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统

技术领域

本发明涉及的是分布式光纤传感技术——相位敏感光时域反射技术和马赫曾德尔干涉仪结构进行结合实现高频多点振动的测量。

背景技术

分布式光纤传感技术在近年来，随着油气管道、高铁、大型建筑等的高速发展，其安全越来越受到各界关注，而分布式光纤传感技术由于其本身大量的优点，使得其成为长距离、恶劣环境下进行外界信息感知的关键技术。而相位敏感的光时域反射技术正是分布式光纤传感技术大家庭中的一员，其主要功能是用来测量外界扰动、入侵等，不仅能对其进行定位还能测量其扰动频率。但是该技术在测量扰动频率时，系统所能响应的最大频率受到传感距离的限制，传感距离越长，其所能响应的最高频率就越低。因为这个缺点，使得其在很多既需要进行事件定位又需要实现事件类型识别(事件频率)的场合失效。相位光时域反射技术可以实现多点定位，但是对于频率较高的扰动，该技术不能实现准确测量；而马赫曾德尔干涉仪能响应的扰动频率仅受到数据采集设备的采样率，系统能响应的扰动频率高达兆赫兹甚至吉赫兹。因此，将这两种技术进行结合可以实现高频扰动的定位和频率的准确测量。目前将该二者进行结合的主要有两个系统：1、基于脉冲调制融合型传感系统；该系统能够实现高频振动的测量，但是仍然存在个缺点：(1)系统定位信噪比随着系统振动频率灵敏度的增加而降低；(2)系统在测量频带上存在一个频率盲区；(3)系统能够实现高频多点振动的定位和频率测量，但是不能将所测得的频率与振动位置对应起来。2、基于时间复用技术的融合型传感系统；(1)该系统解决了上面系统中存在的定位信噪比随测量频率灵敏度的增加而降低的问题，但是系统结构更加复杂，时序控制和信号解调更加复杂；(2)系统频率测量中的盲区仍然存在；(3)多点高频测量仍然不能实现一一对应。

发明内容

鉴于现有的相位光时域反射技术和马赫曾德尔干涉仪结合的系统的不足，本发明的目的是提出一种结构实现二者的结合，并且解决以上背景中系统提到的问题，(1)系统采用频分复用技术，并结合相干探测接收技术，实现更长距离的传感；(2)在简单时序控制和解调方法的基础上解决了系统定位信噪比受频率测量灵敏度影响的问题；(4)去除了系统在测量频带上存在的频率盲区；(5)通过频谱映射方法将所测得的频率与振动位置对应起来，实现了高频多点振动的定位和频率测量。

本发明的目的是基于如下分析提出方案和实现的：

一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统，光路采用三路光信号，一路连续光用作马赫曾德尔干涉仪的探测光；中间一路光通过声光调制器进行移频和脉冲调制后用作相位光时域反射技术的探测光；第三路光用作本地光与上面两路光信号结合实现相干探测。电路则利用不同通带的电滤波器将相位光时域反射结构的信号和马赫曾德尔干涉仪结构获得的信号分离开来。然后，经过低通滤波器的马赫曾德尔干涉仪所获得的信号经过采集后直接进行快速傅里叶变换以获取信号频率；另外一路通过带通滤波器的信号则经过采集后进行自混频解调：

窄线宽激光器1输出的连续光经光耦合器2后分为三路，上面一路光信号由偏振控制器3调制之后经光隔离器13直接注入传感光纤12；中间一路光信号经偏振控制器4调节后由与脉冲发生器6及声光调制器驱动7相连的声光调制器8调制为脉冲光之后经掺铒光纤放大器9放大后经环形器10注入到光纤光栅滤波器11滤除ASE噪声后，由环形器10的3口注入传感光纤12；第三路光通过偏振控制器5调节后通过参考光纤14后与耦合器15连接；脉冲光,光纤中传输过程中产生的后向瑞利散射光以及马赫曾德尔干涉仪结构的连续探测光通过环形器10从4口输出并通过耦合器15与本地光耦合成一束光，然后经平衡探测器16进行光电转换，获得的电信号经过电低噪放大器17放大后由3dB电功分器18分为两路，上面一路经电低通滤波器19后通过数据采集卡21进行数据采集，下面一路电信号经电带通滤波器20滤波后通过数据采集卡21进行数据采集，最后将采集得到的两路信号用上位机22进行数据处理获得测量结果。

在本发明装置中，

采用频分复用技术，由于两个结构采用的不同频率的探测光，同时采用相干探测的接收技术，因此只需要在电域通过不同通带的电滤波器就能将两个信号分离开来，方法简单易实现，同时非常稳定。相位光时域反射结构测得的瑞利信号：马赫曾德尔干涉仪测得的信号：外界振动信号携带在光相位上，显然，两信号具有不同的频率，采用不同通带的电滤波器可以容易地将二者分开。当然，由于本地光与马赫曾德尔干涉仪的探测光有相同的频率，因此马赫曾德尔干涉仪的探测光与瑞利散射光拍频获得电信号频率与本地光和瑞利散射光拍频结果具有相同的电频率：

通过调节本地光与马赫曾德尔干涉仪探测光的光功率比值E_LO(t):E_M(t)大于20dB便能使得马赫曾德尔干涉仪的灵敏度不影响相位光时域反射结构的定位性能。从而实现定位与频率测量性能的同时兼顾与保证。

在本发明中，采用频谱映射的方法实现过采样和欠采样获得的频率信号的映射，以实现将高频多点振动的振动位置与振动频率映射起来。欠采样所呈现出来的频率值与过采样所获得的真实频率值之间的数理关系：f_display＝|f_real-k·f_s|(k∈z,|f_real-k·f_s|＜f_s/2)，频率对应强度之间的关系A_fdisplay＝∑A_{freal_display}，这种方法能将二者联系起来从而实现呈现出来的假频率与真实频率值得映射，实现多点高频信号的测量。

本发明的有益效果是：

1.该装置适用于采用频分复用技术将相位光时域反射技术与马赫曾德尔干涉仪结合。采用频分复用技术，优点在于：(1)采用频分复用技术，并结合相干探测接收技术，实现更长距离的传感；(2)在简单时序控制和解调方法的基础上解决了系统定位信噪比受频率测量灵敏度影响的问题；(3)去除了系统在测量频带上存在的频率盲区；(4)通过频谱映射方法将所测得的频率与振动位置对应起来，实现了高频多点振动的定位和频率测量。本装置工作稳定，在多次测量中都能准确的测量出振动的位置和频率。

附图说明：

图1为本发明的系统结构图；

图2为3.1km光纤上分别加载单个振动测量的振动定位和频率测量结果图，其中：a)为原始曲线；b)为振动定位图；c)为振动位置空间分辨率；d)、e)、f)为三个不同频率的振动频谱图。

图3为3.1km光纤上加载两个振动测量的振动定位和频率测量结果图，其中：a)为原始曲线；b)为振动定位图；c)马赫曾德尔干涉仪获得的振动时域曲线；d)马赫曾德尔干涉仪获得的振动频谱；e)相位光时域结构在A点获得的振动频谱；f)相位光时域结构在B点获得的振动频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统结构图，如图所示，系统由光路和电路两部分组成。窄线宽激光器1输出的连续光经光耦合器2后分为三路，上面一路光信号由偏振控制器3调制之后经光隔离器13直接注入传感光纤12；中间一路光信号经偏振控制器4调节后由与脉冲发生器6及声光调制器驱动7相连的声光调制器8调制为脉冲光之后经掺铒光纤放大器9放大后经环形器10注入到光纤光栅滤波器11滤除ASE噪声后由环形器10的3口注入传感光纤12；第三路光通过偏振控制器5调节后通过参考光纤14后与耦合器15连接，参考光纤14的长度等于传感光纤12的长度；脉冲光在光纤中传输过程中产生的后向瑞利散射光以及马赫曾德尔干涉仪结构的连续探测光通过环形器10从4口输出并通过耦合器15与本地光耦合成一束光，然后经平衡探测器16进行光电转换，获得的电信号经过电低噪放大器17放大后由3dB电功分器18分为两路，上面一路经电低通滤波器19后通过数据采集卡21进行数据采集，下面一路电信号经电带通滤波器20滤波后通过数据采集卡21进行数据采集，最后将采集得到的两路信号用上位机22进行数据处理获得测量结果。

实施时，光耦合器2的分光比为0.1:90：9.9，关键是保证连续探测光与本地光的光功率比小于1:99。马赫曾德尔干涉仪结构采用的连续探测光频率为f，相位敏感的光时域反射结构采用的脉冲探测光频率通过声光调制器8引入一个频移Δf，探测光频率为f+Δf。

平衡光电探测器16电域带宽大于声光调制器8引入的频移值。电带通滤波器20中心频率与声光调制器8引入的频移相同，带宽与超窄线宽激光器1频率漂移引入的频移值相同。电功分器18的功率比为50:50。

图2和图3为采用本发明装置测试效果图，如图所示采用3.1km光纤进行振动测试，图2-a为单个振动原始曲线，图2-b图为单个振动定位曲线，图2-c为系统空间分辨率，图2-d-图2-f为不同振动频率测试结果。图3-a为两个振动信号的原始曲线，图3-b为两个振动信号的定位图。图3-c为两个振动信号的马赫曾德尔干涉时域曲线，图3-d为两个振动信号的马赫曾德尔干涉频谱图，图3-e振动A的相位光时域曲线所测得的频谱；图3-f为振动B的相位光时域曲线所测得的频谱。从上面测试结果可以看见，采用基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统能够准确测得高频振动的位置和频率值；同时采用频谱映射的方法能够实现高频多点测量。

Claims

1.一种基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统，其特征在于，将相位敏感光时域反射系统与马赫曾德尔干涉仪结构结合，利用相位敏感的光时域反射技术进行定位，用马赫曾德尔干涉仪实现高频振动测量，并采用频谱映射的方法将振动位置和振动频率对应起来，欠采样所呈现出来的频率值与过采样所获得的真实频率值之间的数理关系为：

f_display＝|f_real-k·f_s|(k∈z,|f_real-k·f_s|＜f_s/2)，频率对应强度之间的关系为：这种方法能将二者联系起来从而实现呈现出来的假频率与真实频率值的映射，实现多点高频信号的测量；形成基于频分复用技术的高频振动测量分布式光纤传感系统；系统由光路和电路两部分组成：

窄线宽激光器(1)输出的连续光经光耦合器(2)后分为三路，第一路为马赫曾德尔干涉仪结构的连续探测光，经第一偏振控制器(3)调节光偏振态后通过隔离器(13)注入传感光纤中；第二路连续光由第二偏振控制器(4)调节偏振态后用电脉冲信号发生器(6)将电脉冲通过声光调制器驱动器(7)驱动声光调制器(8)，将连续光调制为脉冲光之后经脉冲式掺铒光纤放大器(9)放大探测光后经环形器(10)将放大后的光信号通过光纤光栅滤波器(11)滤除ASE噪声后注入到传感光纤(12)中；第三路连续光信号通过第三偏振控制器(5)和参考光纤(14)后与耦合器(15)连接；脉冲光在光纤中传输过程中产生的后向散射光和马赫曾德尔干涉仪的连续探测光通过环形器(10)的4口输出，输出光信号与本地光在耦合器(15)处耦合，然后经平衡光电探测器(16)进行拍频，拍频信号中有两个频率的电信号，马赫曾德尔干涉仪结构获得的电信号为低频信号；相位光时域反射信号为中频信号，并且该中频信号频率由声光调制器(8)引入的频移决定，拍频信号经过电低噪放大器(17)放大后采用3dB电功分器(18)将电信号分为两路，上面一路经过低通滤波器(19)后用数据采集卡(21)采集，下面一路经过带通滤波器(20)滤波之后由数据采集卡(21)采集，最后数据交由上位机(22)处理获得测量结果；

光耦合器(2)的分光比为0.1:90：9.9，保证连续探测光与本地光的光功率比小于1:99；

所述马赫曾德尔干涉仪结构采用的连续探测光频率为f,相位敏感的光时域反射系统采用的脉冲探测光频率通过声光调制器(8)引入一个频移Δf，探测光频率为f+Δf；

平衡光电探测器(16)的电带宽大于Δf，Δf为声光调制器(8)引入的频移值；系统采用平衡马赫曾德尔干涉仪结构，参考光纤(14)的长度等于传感光纤(12)的长度；

低通滤波器(19)的截止频率与带通滤波器(20)的下截止频率需要一个较大频带间隔，不能有混叠部分。